Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
I. Jõgi, M. Laan, A. Haljaste
Part-financed by the European Union (European Regional Development Fund
V. Bichevin, H. Käämbre
23. märts 2011
Keskkonnasaaste
Mida saab teha eemaldamiseks
● Katalüsaatorid
● Plasma
PlasTEP
Sisututvustus
PlasTEP
●Meie roll
Ülevaade tulemustest
● Eksperimendi korraldusest
● Tulemustest
Kokkuvõte
123.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Õhusaaste
NOx
VOC
223.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
SOxVOC
VOC
formaldehüüd,
tolueen, benseen,
atsetoon, etüül-
atsetaat, ksüleen,
kloroform jne.
Termiline töötlus Katalüsaatorid
Õhusaaste eemaldamine
Kokku kogumine: NH4NO3 ja NH4SO4 väetistena
Oksüdeerimine: CxHy + O2→CO2 + H2O
Redutseerimine: NOx→N2+O2
Termiline töötlus
● Energiamahukas (800°C)
●Ohtlike ühendite teke (NOx, dioksiinid)
Adsorptsioon
● Väike energiakulu
●materjalikulu ning vajab regenereerimist
Katalüsaatorid
● väiksem energiakulu (300-400°C)
●materjalikulu ning vajab regenereerimist
Plasmatöötlus
● Väiksem energia ja materjalikulu
●Ohtlike ühendite teke (O3, HCN)
323.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Heterogeenne katalüüs
●Gaasiliste ühendite reaktsioonid tahkise
pinnal toimuvad kiiremini
TiO2
●Odav, stabiilne, palju uuritud
●Degussa P25
Katalüsaatorid
Ea
X+Y→→→→Z
Soovitud omadused
● Suur aktiivsus
● Suur eripind
● Selektiivsus
423.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
∆∆∆∆G
Ea kat
Ea
X,Y
Z
Mittetasakaaluline plasma
Plasmatöötlus
NO+N → N2+O
NOx+O/OH → N2O5/HNO3
CxHy+O → CO2+H2O
Radikaalide reaktsioonid Penetrante et al., SAE paper 1998
Mittetasakaaluline plasma
● Elektronide liikuvus palju suurem
● Elastsetel põrgetel energia ülekanne väike
Gaasi temperatuur madal (25-35 meV), elektronide temperatuur kõrge (3-5 eV)
● Aktiivsete ühendite (O, N, OH) tekitamine oluliselt
efektiivsem
523.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Plasma ja katalüüs
Plasma
● Energiakulu lahendamise tekitamisel
●Uute ohtlike ühendite teke (O3, HCN)
Katalüüs
● Kõrgemad temperatuurid
● Pinna saastumine
Plasma võimaldab kasutada madalamaid temperatuure ja pindasid regenereerida
623.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
T, C
Efe
ktii
vsu
s
+Plasma
aeg, min
Efe
ktiivsus
+Plasma
Katalüsaator puhastab plasmast väljuvad ebameeldivad ühendid ja vähendab energiakulu
katalüüskatalüüs
Eesmärgid
● Viia teadmised laboritest rakendusteni
− Teavitustöö
− Järelkasvu koolitamine
−
PlasTEP – Plasma Technology for Environmental Protection
2010-2013
14 partnerit
− standardiseerimine
●Nende tegevuste toetamiseks uurimistööd:
− NOx/SOx eemaldamine
− VOC eemaldamine
− Vee puhastamine
●Mitmed moodused mittetasakaalulise plasma tekitamiseks:
− Dielektrikbarjäärlahendus, õõneskatoodlahendus, elektronkiir, osooniga töötlemine
723.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Dielektrik-barjäärlahendus
● Pinge rakendamisel tekivad mikrolahendused
●Dielektrikul kogunev laeng katkestab voolu
●Madalad temperatuurid
823.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
● 102-103 mikrolahendust
● 0.1-1 mm
● 10ns-1µs
● 0.1 -0.5 A
Varasem kogemus (ETF grant)
●Olemas plasma-katalüüsi hübriid reaktor ja
uurimiseks sobiv aparatuur
Uuringud väiksema seadmega
PlasTEP: meie roll
923.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Meie eksperimendist
Q, µµµµC
Lahendusse antav energia (Ed, J/L)
●Manley meetod
Ühendite kontsentratsioon
●Optiline absorptsioon ja keemiline NO andur
●O3, NO, NO2, N2O5, HNO3, SO2 ...
Ne
eld
um
ine
NO
NO2
1023.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Q, µµµµC
U, kVTemperatuur ja elektrivälja tugevus
●Optiline emissioon
Olulisemate reaktsioonide määramine
●Numbrilised arvutused
Ne
eld
um
ine
λ, nm200 300 500400
2
Tüüpiline heitgaasi koostis
● 400 ppm NO, 500 ppm VOC, 2 % H2O, 5 % CO2,
10 % O2, ülejäänud N2
NOx eemaldamine plasma abil
Mis toimub plasmas?
●Oksüdeerivas keskkonnas redutseerimine
Penetrante et al., SAE paper 1998
1123.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
●Oksüdeerivas keskkonnas redutseerimine
NO+N→N2+ O ei tööta
● Peab lootma oksüdeerimisele O aatomitega
NO→NO2→NO3→N2O5 või HNO3
● Kõrvalsaadusena tekkiv O3 samuti oksüdeeriv
● seejärel saadused eemaldamisele
− Mineraalväetised
− Selektiivne katalüütiline redutseerimine
NOx töötlemine: eksperimendi tulemused
NO
väl
jun
dis
, pp
m Ed = 270 J/l
ilma TiO2
NO
väl
jun
dis
, pp
m
Kõrgematel temperatuuridel plasma korral oluline efektiivsuse langus:
kaod NO2+O→NO+O2 ja O3→O2+O tõttu
1223.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
NO
väl
jun
dis
, pp
m
Aeg, min
TiO2
2
NO
väl
jun
dis
, pp
m
Ed, J/l
TiO2 aitab temperatuuri kasvust tingitud efektiivsuse kadu vähendada
Osaliselt toimib adsorptsioon aga 100C juures on ka katalüütiline toime
Fotokatalüüs või lihtsalt katalüüs?
TiO2 toime?
5 min
340 J/l
240välj
un
dis
, pp
m
Puhas O2
450 ppm NO N2-s
Plasma
Plasmatöötluse toime TiO2 pinnale
1323.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
190
240
NO
2vä
lju
nd
is, p
pm
Aeg, min
Aeg
●NO oksüdeeritakse töödeldud TiO2 pinnal NO2-ks
● Plasmatöötluse energia ja kestus suurendavad
NO2 kogust NO+O(s)→NO2(s)
NO2+O(s)→NO3(s)
NO+O2(s)→NO2(s)
Võimalikud reaktsioonid
NO eemaldamine H2O olemasolul
NO
väl
jun
dis
, pp
m2% H2O, 100C, Δt = 3 min
NO, kuiv
H2O olemasolul: OH radikaalid NO+OH→HNO2 NO2+OH→HNO3
1404.03.2011WP4 web conference
H2O korral efektiivsuse langus temperatuuri toimel veelgi väiksem
NO
väl
jun
dis
, pp
m
NO, H2O
NO, H2O, TiO2
Ed, J/l
SO2 oksüdeerimine
O+SO2→SO3O+O2→→→→O3
O3+SO2→SO3+O2
Plasma üksinda ei toimi
kiirem kui
ei tööta üldse Plasma+TiO2 (25°°°°C ja 60°°°°C)
plasma (25°°°°C ja 60°°°°C)
1523.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
SO2 + O(s) või SO2 + O2(s) ?
Plasma+TiO2 (25°°°°C ja 60°°°°C)
Plasma TiO2-ga toimib
VOC-de eemaldamine
Katalüsaatori toime selgitamine
● Ajaliste muutuste uurimine
● Pinnaühendite analüüs
Mida toob tulevik?
● Pinnaühendite analüüs
Erinevate katalüsaatorite testimine
Koostöö suurte seadmete testimisel
Tänan tähelepanu eest!
1623.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Mis plasmas toimub: NOx näitel
O
O+NO→→→→
O+O2→→→→
O+NO2→NO
O+O→O2
O+O3→2O2
NO+O3→
Kaod NOx tõttu
NO
NO2
O3
NO
NO
NO2
NO
väl
jun
dis
, pp
m
1723.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
NO
O
O+NO→
O+O2→
O+NO2→→→→NOO+O→→→→O2
O+O3→→→→2O2
NO+O3→
NO
NO2
O3
NO NO
NO2
Kõrgetel temperatuuridel efektiivsuse oluline langus
NO
väl
jun
dis
, pp
m
Ed, J/l
Mis saab edasi: NOx näitel
O
O+O2→→→→ NO+O3→→→→
NO
O3 NO2
Toota osoon eraldi ja seejärel juhtida kokku NOx-ga
1823.03.2011WP4 web conference
NB! Ei kehti paljude teiste ühendite korral: SO2, mitmed VOC-d
Kasutada katalüsaatorit ka plasmareaktoris?
C2H2 oksüdeerimine sarnases süsteemis
1923.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Toimus oksüdeerimine: väljnudis CO ja CO2
Poorne materjal olulisem kui foto-katalüüs
SO2 oksüdeerimine
O
O+SO2→
O+O2→
SO2
O3
SO2
O3
SO2
O3+SO2→
Plasma üksinda ei toimi
2023.03.2011Plasma ja katalüüs vs. keskkonnasaaste
Plasma+TiO2 korral toime olemas
SO2 + O(s) või SO2 + O2(s) ?